21.7 درصد! روش جدید فرآیند ساخت سلول خورشیدی پروسکایت را تغییر شکل می دهد

محققان از چاپ پوشش، رسوب در خلاء و سایر فناوری‌ها برای تحقق بخشیدن به آماده‌سازی ماژول‌های فتوولتائیک پشت سر هم تمام پروسکایتی با مساحت بزرگ برای اولین بار در جهان استفاده کردند و راه جدیدی را برای تولید انبوه و تجاری‌سازی سلول‌های پشت سر هم پروسکایت با مساحت بزرگ باز کردند. . مسیر. با تایید یک سازمان معتبر بین المللی تست شخص ثالث، راندمان تبدیل فوتوالکتریک پایدار این ماژول به 21.7 درصد می رسد که بالاترین راندمان ماژول های فتوولتائیک پروسکایت شناخته شده در جهان است.

سلول های خورشیدی می توانند به طور مستقیم انرژی خورشیدی را به الکتریسیته تبدیل کنند، که راه مهمی برای به دست آوردن انرژی پاک است.

هزینه تولید برق فتوولتائیک به بازده تبدیل فوتوالکتریک سلول های خورشیدی بستگی دارد. مطالعات نشان داده اند که به ازای هر 1 درصد افزایش راندمان تبدیل، هزینه تولید برق را می توان تا 7 درصد کاهش داد، اما راندمان تبدیل فوتوالکتریک سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی در حال حاضر با تنگناهای توسعه مواجه است. کلید دسترسی به اینترنت همچنین حمایت علمی و فناوری مهمی را برای تحقق هدف "کربن دوگانه" فراهم می کند.

اخیراً، گروه تحقیقاتی پروفسور Tan Hairen از دانشکده مهندسی مدرن و علوم کاربردی دانشگاه نانجینگ و محققان دانشگاه آکسفورد در بریتانیا از چاپ پوشش، رسوب در خلاء و سایر فناوری‌ها برای تحقق آماده‌سازی تمام مساحت‌های بزرگ استفاده کردند. ماژول های فتوولتائیک انباشته پروسکایت برای اولین بار در جهان. مسیری جدید برای تولید انبوه و تجاری سازی سلول های پشت سر هم پروسکایت با مساحت بزرگ.

با تایید یک سازمان معتبر بین المللی تست شخص ثالث، راندمان تبدیل فوتوالکتریک پایدار این ماژول به 21.7 درصد می رسد که بالاترین راندمان ماژول های فتوولتائیک پروسکایت شناخته شده در جهان است. این دستاورد در آخرین شماره "رکوردهای جهانی باتری خورشیدی" گنجانده شد و نتایج مربوطه به تازگی در مجله معتبر بین المللی دانشگاهی "ساینس" منتشر شده است.

هزینه تولید کمتر و صرفه جویی بیشتر در انرژی

توسعه تولید برق فتوولتائیک خورشیدی تمیز و کم هزینه یک راه مهم و تضمین فنی برای دستیابی به اوج کربن و بی طرفی کربن است. در سه ماهه اول سال 2022، تولید برق فتوولتائیک کشور من 84.1 میلیارد کیلووات ساعت بود که نسبت به سال قبل 22.2 درصد افزایش داشت.

با این حال، با توسعه فناوری، سلول های خورشیدی تک پیوندی سیلیکونی کریستالی سنتی نیز با دو گلوگاه توسعه مواجه شده اند. هزینه انرژی بالا و مصرف انرژی بالا، فرآیند تصفیه شن کوارتز به سیلیکون صنعتی و ساخت سیلیکون مونوکریستالی به دمای بالای بیش از 1000 درجه نیاز دارد، در حالی که برای تهیه سلول های خورشیدی پروسکایتی به حدود 100 درجه نیاز است. به عنوان نویسنده مسئول این مطالعه، Tan Hairen به صراحت گفت که سلول های خورشیدی پروسکایت با هزینه های تولید کمتر و صرفه جویی در انرژی بیشتر به عنوان فرصت های جدید برای توسعه صنعت فتوولتائیک در سال های اخیر و بهینه سازی ساختاری و نوآوری های تکنولوژیکی پشت سر هم پروسکایت در نظر گرفته شده است. سلول ها صنعت فتوولتائیک را برای دستیابی به کاهش هزینه Synergistic سرعت می بخشند.

پیش از این، گروه تحقیقاتی Tan Hairen یک ساختار تونل زنی جدید را پیشنهاد کرد که مشکل آماده سازی پشته های تمام پروسکایت را شکست، روش جدیدی را برای افزایش غیرفعال سازی عیوب روی سطح دانه های پروسکایت ایجاد کرد و تبدیل فوتوالکتریک تمام پروسکایت را ایجاد کرد. پشته ها رکورد جهانی راندمان 26.4 درصدی برای اولین بار در جهان از بالاترین بازده تایید شده سلول های پروسکایت تک پیوندی پیشی گرفته است. نتایج مربوطه در مجلات معتبر بین المللی دانشگاهی مانند Nature منتشر شده است.

اگرچه سلول‌های پروسکایتی با مساحت کوچک در آزمایشگاه به راندمان تبدیل بالایی دست یافته‌اند، تجاری‌سازی بلوک‌های سلول فتوولتائیک پروسکایتی با مساحت بزرگ هنوز با چالش‌های زیادی مواجه است. Tan Hairen انکار نکرد که اگرچه تحقیقات قبلی تولید کرده است 1 باتری پشت سر هم پروسکایت با راندمان بالا حدود سانتی متر مربع است، اما روش آماده سازی تولید انبوه و پایداری طولانی مدت ساختار اتصال در بلوک باتری از گلوگاه های کلیدی است. صنعتی شدن را تحقق بخشد

فن آوری های متعدد به مواد اجازه می دهد تا یک فیلم یکنواخت را تشکیل دهند

برای دستیابی به تولید انبوه، ابتدا باید مشکل تهیه یکنواخت و مساحت بزرگ فیلم‌های پروسکایتی با گپ پهن را حل کرد.

پروسکایت با گپ پهن حاوی اجزای برمید بالایی است، حلالیت آن کم است، فضای انتخاب حلال کوچک است، کنترل کریستالیزاسیون آسان نیست، و به دست آوردن فیلم های با کیفیت بالا، یکنواخت و متراکم دشوار است. تحقیقات بین المللی در مورد تولید انبوه آن فناوری آماده سازی تقریباً خالی است." تان هایرن اشاره کرد.

در پاسخ به چالش‌های فوق، تیم تحقیقاتی برای اولین بار طرح آماده‌سازی باتری پشت سر هم تمام پروسکایتی را پیشنهاد کرد. آنها از چاپ پوشش، رسوب در خلاء و سایر فن آوری های آماده سازی برای جایگزینی فرآیند تشکیل فیلم پوشش چرخشی که معمولاً در آزمایشگاه استفاده می شود، استفاده کردند و یک باتری پشت سر هم تمام پروسکایتی 20 سانتی متر مربعی تهیه کردند.

"قبلاً ما از یک فرآیند پوشش اسپین استفاده می کردیم، یعنی ابتدا محلول پروسکایت را روی زیرلایه شیشه ای اعمال می کردیم و سپس از دستگاه برای چرخش سریع کل بستر شیشه ای استفاده می کردیم و از نیروی گریز از مرکز برای توزیع محلول روی بستر استفاده می کنیم. یک لایه نازک تشکیل می دهد، اما این روش علاوه بر این، دستگاه پوشش دهی چرخشی بسیار سریع می چرخد، بنابراین چرخاندن یک بستر شیشه ای با مساحت بزرگ برای چرخش دشوار است، که مشخص می کند برای تولید انبوه سلول های خورشیدی پروسکایت مناسب نیست. " تان هایرن گفت.

به منظور اجازه دادن به محلول پروسکایت برای تشکیل یک لایه یکنواخت در یک منطقه بزرگ، تیم تحقیقاتی ابتدا از فرآیند پوشش دکتر تیغه استفاده کردند. Tan Hairen توضیح داد که آنها محلول را روی شیشه رسانای شفاف انداختند و سپس آن را با یک تیغه به سمت جلو خراش دادند که یک لایه مرطوب یکنواخت روی سطح شیشه ایجاد کرد. به این ترتیب لایه انتقال سوراخ را تکمیل کردند، لایه تیتانیوم را با برس زدن کلسیم، و سپس لایه انتقال الکترون و ساختار تونل زنی را با رسوب در خلاء برای محافظت از لایه اول پروسکایت، سپس لایه انتقال سوراخ و لایه دوم پروسکایت را آماده کردند. و لایه انتقال الکترون را با خلاء تبخیر می کند پس از الکترودهای فلزی، یک قاب بلوک سلول خورشیدی پروسکایت مانند بلوک های ساختمانی "خارج از کوره" است.

ساختن «خانه» کافی نیست، بلکه باید متناسب و مستحکم باشد. Tan Hairen گفت که وقتی بلوک باتری پشت سر هم پروسکایت در ابتدا آماده شد، به دلیل زمان کریستالیزاسیون طولانی محلول، فیلم همچنان ناهموار بود. "بعداً فکر کردم که اگر می تواند مانند کاغذ چاپ باشد، جوهر بلافاصله پس از چاپ خشک می شود که ممکن است باعث بهبود کیفیت و بهره وری فیلم شود."

با هدف دشواری کنترل کریستالیزاسیون پروسکایت با شکاف پهن در فرآیند پوشش، پس از چندین تلاش، این تیم محتوای سزیم کاتیون A-site در جزء پروسکایت را به 35 درصد افزایش داد و با روش پوشش تیغه ترکیب شد. تبلور به کمک هوا برای تسریع محلول پس از تبخیر، در نهایت یک لایه پروسکایتی پهن و متراکم با شکاف پهن با بهترین کریستالینیتی به دست آمد که پایه و اساس تولید انبوه اجزای انباشته تمام پروسکایت را گذاشت.

چرا سزیم به «پسر بهشت» تبدیل می‌شود تا باتری‌هایی را به سرعت و پایدار بسازد؟ Tan Hairen معرفی کرد: "سزیم یک یون معدنی است و به راحتی فرار نیست، پایداری حرارتی دستگاه را بهبود می بخشد، کرنش شبکه را کاهش می دهد، ثبات نوری دستگاه را بهبود می بخشد، مانع تبلور را کاهش می دهد و سرعت هسته زایی را افزایش می دهد. دستگاه."

از "آسیب رساندن" مواد مختلف به یکدیگر خودداری کنید

از نظر تئوری، راندمان تبدیل فوتوالکتریک سلول خورشیدی تک لایه پروسکایت فعلی تنها 33 درصد در بالاترین حد است، در حالی که ساختار دو لایه می تواند تا 45 درصد برسد. تحقیقات عمیق طولانی مدت، اجازه دهید تان هایرن کشف کند که برای دستیابی به جهش از "یک به دو" در ساختار داخلی سلول های پروسکایت، باید نحوه "همزیستی هماهنگ" بین مواد دستگاه را نیز در نظر بگیریم.

"در یک ماژول فتوولتائیک پروسکایت پشت سر هم، یک ساختار اتصال پیچیده در ناحیه اتصال هر دو سلول فرعی وجود دارد. به دلیل تماس مستقیم بین لایه جذب کننده نور پروسکایت و الکترود فلزی پشتی در ناحیه اتصال، یون های هالوژن وجود دارد. در پروسکایت، نفوذ متقابل با فلز در الکترود باعث خوردگی مواد فلزی و کاهش خواص الکتریکی ماده پروسکایت می‌شود که بر راندمان تبدیل فوتوالکتریک بلوک باتری تأثیر می‌گذارد. Tan Hairen گفت، برای غلبه بر این مشکل، تیم از لایه جذب نور پروسکایت و فلز پشتی استفاده کردند. بین الکترودها، لایه ای از لایه انتقال الکترون دی اکسید قلع با رسوب لایه اتمی تهیه شد.

دی اکسید قلع یک ماده نیمه هادی است که می تواند در محیط با دمای پایین رشد کند و رسانایی الکتریکی خوبی دارد. این ماده بر تماس اهمی بین الکترود فلزی در ناحیه اتصال و الکترود اکسید رسانای شفاف در سطح جلویی تأثیر نمی گذارد. در عین حال، لایه انتقال الکترون دی اکسید قلع را می توان به طور مشابه در مناطق به هم پیوسته بین سلول های فرعی رسوب کرد و تماس مستقیم بین پروسکایت و فلز را مسدود کرد. به عنوان یک لایه انتقال الکترون در ناحیه فعال سلول، از اکسیداسیون نیز جلوگیری می کند. پروسکایت با شکاف باریک توسط هوا، ایجاد اتمسفر، آماده سازی اتصال، آزمایش و بسته بندی اجزاء تحت شرایط کار. تان هایرن توضیح داد.

این طراحی نوآورانه ساختار ماژول به طور قابل توجهی تکرارپذیری ساخت، عملکرد فتوولتائیک و پایداری ماژول را بهبود می بخشد. همانطور که توسط آزمایشگاه ایمنی الکتریکی و فناوری زیست محیطی ژاپن تعیین شده است، راندمان تبدیل فوتوالکتریک این بلوک سلول خورشیدی پشت سر هم تمام پروسکایت 21.7 درصد است که بالاترین بازده گزارش شده در جهان برای ماژول های فتوولتائیک پروسکایت است. "جدول رکورد جهانی باتری خورشیدی" گنجانده شده است.

پتانسیل نشان‌داده‌شده توسط ماژول‌های فتوولتائیک پشت سر هم پروسکایت، الهام بخش این تیم برای داشتن روحیه جنگ‌جویی بیشتر شد. Tan Hairen گفت: اگر بخواهیم صنعتی شدن این فناوری را ارتقا دهیم، باید در فرآیند چاپ و تهیه پروسکایت تحقیق و توسعه بیشتری انجام دهیم. تهیه 20 سانتی متر مربع جوهر نسبتاً ساده است، اما اگر تا 1 متر مربع گسترش یابد که شرایط فنی آن نیاز به نوآوری دارد، باز هم نیاز به تأیید مداوم دارد.